Point de vue : Informatique quantique et industrie nucléaire : perspectives

29 août 2023

Un projet de recherche a mis en évidence le potentiel de l'informatique quantique à apporter des avantages significatifs pour la conception et l'exploitation d'installations radiologiques dans les industries nucléaire, médicale et spatiale, comme l'explique le professeur Paul Smith, directeur technique de Jacobs ANSWERS.

La modélisation du transport des rayonnements est fondamentale pour la physique nucléaire et joue un rôle dans tous les domaines, depuis la conception et l'exploitation des réacteurs, la fabrication du combustible, le stockage, le transport, le déclassement et le stockage géologique. Au-delà de l’énergie nucléaire et du démantèlement, elle joue un rôle essentiel dans la médecine nucléaire, l’industrie spatiale, l’irradiation des aliments et l’exploitation forestière des puits de pétrole.

Les codes de Monte Carlo constituent la méthode de référence pour créer des simulations et résoudre des équations afin de comprendre la manière dont l'énergie physique est transférée par l'absorption, l'émission et la diffusion du rayonnement électromagnétique - appelé transport de rayonnement.

Les codes sont conçus pour modéliser et comprendre le mouvement et les interactions des particules de rayonnement (telles que les photons, les neutrons ou les particules chargées) lorsqu'elles voyagent à travers différents matériaux et interagissent avec diverses structures.

Il existe deux approches principales pour résoudre les équations du transport des rayonnements. Dans l'approche déterministe, des méthodes numériques traditionnelles sont utilisées pour résoudre les équations mathématiques, ce qui implique un certain nombre d'approximations. L'approche alternative de Monte Carlo consiste à simuler les trajectoires de particules individuelles, ce qui implique moins d'approximation mais est d'une lenteur prohibitive pour certaines applications. Dans de tels cas, il est utilisé pour produire des solutions haute fidélité afin de tester l’exactitude de solutions déterministes qui, bien que plus approximatives, peuvent être obtenues plus rapidement.

Le service logiciel ANSWERS, qui fait partie de Jacobs, a dirigé un projet visant à explorer les avantages potentiels de l'informatique quantique pour accélérer les méthodes de Monte Carlo.

Soutenu par le programme SparQ du National Quantum Computing Centre du Royaume-Uni, qui soutient la recherche sur de nouvelles applications, ce projet visait à étudier les avantages de tirer parti de l'informatique quantique au lieu de l'informatique numérique conventionnelle pour améliorer le temps d'exécution des méthodes de Monte Carlo, les rendant ainsi plus compétitives.

ANSWERS fournit et prend en charge les codes MCBEND et MONK 3D Monte Carlo qui sont largement utilisés dans le monde entier pour la protection contre les rayonnements, les évaluations de doses, la sûreté-criticité nucléaire et l'analyse de la physique des réacteurs. Par exemple, le logiciel ANSWERS est utilisé pour prendre en charge la conception et la production de dossiers de sûreté pour les flacons de transport de matières radioactives.

Plusieurs processus contribuent de manière significative au coût informatique des calculs de transport de rayonnement de Monte Carlo, notamment la génération de nombres aléatoires, les recherches dans les bases de données nucléaires, le traçage de rayons et le processus de Monte Carlo lui-même. Des algorithmes quantiques sont disponibles ou en cours de développement pour chacun de ces processus. La génération de nombres aléatoires quantiques a le net avantage de générer des nombres véritablement aléatoires, basés sur des processus quantiques véritablement aléatoires, alors que les méthodes informatiques traditionnelles ne sont capables de générer que des nombres pseudo-aléatoires ou des nombres quasi-aléatoires qui peuvent être soumis à des corrélations subtiles pouvant introduire des biais dans le calcul. résultats.

Alors que les ordinateurs numériques fonctionnent avec des bits de données 0 ou 1, les ordinateurs quantiques fonctionnent avec des qubits – des systèmes de mécanique quantique à deux états qui peuvent être dans une superposition des états 0 et 1. Par exemple, la lumière peut être polarisée horizontalement ou verticalement (essayez de regarder un téléviseur LED à travers des lunettes à verres polarisés et d'incliner la tête sous différents angles). Si un photon de lumière individuel est polarisé à 45 degrés par rapport à l’horizontale, il peut être considéré comme étant dans une superposition des états horizontal et vertical.

Cela permet aux ordinateurs quantiques de traiter de nombreux états en une seule opération, augmentant ainsi leur puissance de traitement de manière exponentielle et permettant de résoudre des problèmes complexes, impossibles sur les ordinateurs numériques. En pratique, de nombreux algorithmes quantiques offrent un avantage quadratique par rapport aux ordinateurs numériques traditionnels : par exemple, un algorithme quantique peut réaliser en 1 000 opérations ce qui nécessiterait un million d’opérations avec un algorithme traditionnel.